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문제 정의
- 따라서, 본 연구의 목적은 최적화기법을 사용하여 곡물 냉각기를 이용한 벼 건조 및 저장시스템의 최적 운영조건을 구명하는데 있다.
가설 설정
- 곡물냉각기를 이용한 벼 건조 및 저장시스템에서 2차 마무리 건조가 끝난 벼는 300 톤 저장빈으로 이송되어 장기저장을 위해 냉각되는 것으로 가정하였다. 이 때, 벼 300 톤 냉각에 소요되는 시간은 약 50.
- 8 kW이었다(9). 따라서 곡물 냉각기의 평균 소비전력을 수확기의 평균소비력인 17.4 kW로 설정하였으며, 저장빈 댐퍼 등에서의 냉각공기 누설이 보완된 것으로 가정하고 냉각공기량중 80%를 유효 냉각공기량으로 가정하였다.
- 반면, 관행적인 저장방법에서는 저장빈으로 이송된 벼의곡온을 낮추기 위해 통풍이 실시되는 것으로 가정하였다. 이 때 송풍량 70 m3/min<?l 송풍기(3.
제안 방법
- 건조기에서 변동비는 배풍 송풍기와 순환 및 투입 배출에 필요한 버킷엘리베이터 및 스크류컨베어의 가동에 소요되는 전력비와 버너의 가동에 필요한 연료비의 합으로 계산하였으며, 곡물냉각기는 가동에 필요한 전력비로 계산하였다. 등유 가격은 438 원/L, 전력비는 농가용(병)을 적용하여 36.
- 8%를 기준으로 하였다. 건조능력의 하한치는 함수율 15%까지 건조하는데 필요한 건조기 대수를, 상한치는 20%까지 건조하는데 필요한 건조기 대수로 하였다.
- 고정비는 부지, 건물 및 설비의 감가상각비와 구입 및 설치비용에 대한 금리, 건조작업에 필수적인 기사의 인건비의 합으로 계산하였다.
- 하였다. 곡물냉각기는 외기온도가 설정온도보다 2.0℃이하로 저하하면 시스템이 일시 정지되고, 저장빈간의 이동에 시간이 소요되므로 순환식건조기와 동일하게 1일 20시간을 기준으로 하였다.
- 곡물냉각기를 이용한 벼 건조 및 저장중 여러 조건하에서소요비용을 최소화하는 최적 운영조건을 구명하기 위하여 Box의 Complex algorithm(14)를 근간으로 하는 최적화 알고리즘을 설정하고 이를 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 개발하였다.
- 곡물냉각기의 냉각능력은 이론적인 냉각능력의 100.3%정도이므로(9), 이론적인 냉각능력을 곡물냉각기의 냉각능력으로 사용하였다. 곡물냉각기 의 이론적인 냉각능력은 장 등(11)의 보고와 동일하게 증발온도와 응축온도에 따라 압축기 제조회사의 상용적인 프로그램(VAP 6.
- 냉각능력은 곡물냉각기의 소요대수로서 1일 최대 200톤을냉각할 수 있는 곡물냉각기⑼를 사용하는 것으로 하였으며, 곡물냉각기 대수의 하한치는 1대, 상한치는 3대를 기준으로 하였다
- 벼의 수확기간중 실반입일을 25일, 반입되는 벼의 초기함수율을 24%로 설정하고, 총반입물량이 1, 200 톤, 2, 100 톤, 3, 000 톤, 4, 500 톤 규모인 RTC에서 곡물냉각기를 이용한 벼 건조 및 저장시스템의 건조비용이 최소화되는 1차 건조후함수율, 건조기 및 냉각기 소요대수를 탐색하였으며, 그 결과는 다음 Table 5와 같았다.
- 변동비는 건조기와 곡물냉각기의 운전에 필요한 전력비와 연료비, 수선유지비와 임시직 인건비의 합으로 계산하였다.
- 23 X19 m, 0XH)에서 저장되는 것으로 하였다. 실반입기간은 10월중 25일로, 반입되는 벼의 함수율은 24%, 1일 반입량은 평균 반입량으로 하였다.
- 이 프로그램은 1개의 주프로그램과 21개의 부프로그램으로 구성하였으며 부프로그램중 Complex알고리즘과 관련이 있는 부프로그램은 BOX, CENT1, CENT2, CENT3, EXPL 및 IMPL이다. 부프로그램중 OBJECT는 목적함수인 소요 비용산정용이며, CROSS는 횡류건조모델에 의한 순환식건조기의건조소요시간, 건조후 함수율 및 건조소요에너지 계산용, COOLe 냉각 시뮬레이션 모델에 의한 벼 퇴적층에서의 곡온 및 냉각시간 예측용 부프로그램이다.
- 최적화의 목표는 건조 . 저장에 소요되는 비용의 최소화로 두고, 이에 따른 제어변수로 1차 건조후 함수율, 건조기 및 곡물 냉각기를 설정하였다. 비용은 크게 건조기와 곡물 냉각기의 구입 및 설치에 필요한 고정비(fixed cost)와 변동비 (variable cost)의 합으로 다음과 같이 구하였다.
- 제한조건은 명시적 제한조건(explicit constraint)과 암시적제한조건(implicit constiaint)으로 구분하였으며, 명시적 제한조건은 1차 건조후 함수율, 건조능력, 냉각능력이며, 암시적제 한조건은 처 리시 간으로 설정 하였다.
대상 데이터
- 15 m를 기준으로 하였으며, 단위 미터당 가격은 168천원으로 하였다. 게이트는 건조기 대당 1개로 하였으며, 가격은 개당 500천원(6)으로 하였다.
- 건조기 및 부대설비, 곡물냉각기의 내용년수는 10년, 10년후 잔존가액은 구입가격의 10%이며, 금융비용은 연리 5%(정부 지원사업)를 기준으로 하였다. 곡물 냉각기 1대의 구입 및 설치가격은 60, 000천원, 건조기의 구입 및 설치가격은 6톤, 20톤에 대해 각각 8, 150천원 및 34, 800천원으로 하였다. 부대설비는 투입 및 배출용 체인콘베어, 게이트 등으로 6톤 및 20톤 건조기의 체인콘베어의 길이는 2.
- 곡물 냉각기 1대의 구입 및 설치가격은 60, 000천원, 건조기의 구입 및 설치가격은 6톤, 20톤에 대해 각각 8, 150천원 및 34, 800천원으로 하였다. 부대설비는 투입 및 배출용 체인콘베어, 게이트 등으로 6톤 및 20톤 건조기의 체인콘베어의 길이는 2.66 m, 4.15 m를 기준으로 하였으며, 단위 미터당 가격은 168천원으로 하였다. 게이트는 건조기 대당 1개로 하였으며, 가격은 개당 500천원(6)으로 하였다.
- 최적화 대상시설으로는 수확기간중 총반입물량이 1, 200톤, 2, 100톤, 3, 000톤 및 4, 500톤인 RPC로 하였으며, 건조기는 주로 사용되는 6톤, 20톤 용량의 순환식건조기를 대상으로 하였으며, 건조된 벼는 300톤 규모의 단열된 원형철제빈(6.23 X19 m, 0XH)에서 저장되는 것으로 하였다. 실반입기간은 10월중 25일로, 반입되는 벼의 함수율은 24%, 1일 반입량은 평균 반입량으로 하였다.
데이터처리
- 또한, XTIMEe 암시적 제한조건인 처리시간 산정용 프로그램이다. 프로그램은 MS FORTRAN으로 작성하였으며, 프로그램의 구성도는 Fig. 1과 같았다.
이론/모형
- 7 원 /kW, 계약전력비는 1, 070 원으로 하였다. 건조기 배 풍 송풍기, 버킷엘리베이터 및 스크류콘베어의 소요전력과 건조기에서 등유소비량은 고 등(7)에 의거하여 계산하였다.
- 건조기의 건조소요시 간은 횡류건조모델을 이용하여 구하였다. 순환식건조기에서 건조공기는 X방향, 곡물은 y 방향으로 흐르며, 질량유동율은 각각 Ga 및 G” 이므로, 유동 공기층의 임의의 지점에서 미소체적 (dx dy)에 대하여 에너지 및 수분평형을 고려하면 다음 식 (1)~(4)와 같은 횡류건조모델을 유도할 수 있다.
- 곡물냉각기에 의한 냉각소요시간은 Kim 등(10)의 시뮬레이션 방법을 이용하였으며, 이때 냉각공기량은 다음과 같이 구하였다.
성능/효과
- Table 3은 반입되는 함수율 240%의 물벼를 15~16% 내외까지 건조할 때 소요되는 건조비용을 나타낸 것으로서, 연간처리능력 1, 200 톤, 2, 400 톤, 3, 000 톤 및 4, 500 톤 시설에 소요되는 건조비용은 6톤 건조기를 사용하는 경우에는 36, 950~38, 928 원/톤으로 연간처리능력이 증가할수록 건조 비용은 낮아지는 것으로 나타났다. 또한, 20 톤 건조기를 사용하는 경우에는 24, 017~26, 433 원/톤으로 나타났다.
- 곡물냉각기와 6톤 건조기를 병용하여 건조공정에 사용할 때, 총반입물량에 따라 최적 1차 건조후 함수율은 18.4~ 19.8%, 건조기의 최적 소요대수는 3~11대, 곡물냉각기의 최적 소요대수는 1~2대로 나타났으며, 이때 톤당 소요비용은 25249~30, 102 원으로 연간처리능력이 증가할수록 낮게 나타났다. 한편, Table 2, 3에 나타낸 바와 같이 6 톤 건조기만을 사용하여 함수율 15.
- 4%, 건조기의 최적 소요대수는 1~2대, 곡물 냉각기의 최적 소요대수는 1~2대로 나타났으며, 톤당 소요비용은 17, 373 -23, 296 원으로 나타났다. 따라서 20톤 건조기만을 사용하여 15.9%까지 건조할 경우에 비해 건조기 소요대수는 50~75%, 톤당 건조비용은 약 7.4~38.5%정도가 절감되는 것으로 나타났다.
- 3시간이 된다. 따라서 3.7 kW 용량의 송풍기 설치에 따른 고정비(구입비 2, 160천원)와 변동비의 합인 톤당 통풍비용은 2, 199원으로 나타났다.
- 8%수준으로 건조시켰을 때의 건조기 소요대수는 9~33대였고, 톤당 건조비용은 36, 950- 38, 929 원이었다. 따라서 곡물냉각기를 이용한 벼 건조 및냉각시스템이 관행적인 건조시스템에 비해 건조기 소요 대수는 50-66.6% 절감되었으며, 건조기 소요대수의 절감에 따라 소요에너지비용, 부지구입비 및 건축비 등의 감소로 톤당 건조비용도 29.3-46.3% 정도가 절감되는 것으로 나타났다
- 632 원이었다. 따라서 곡물냉각기를 이용한 새로운 건조 및 저장시스템은 관행적인 건조 및 저장시스템에 비해 약 2.6~27.3%정도의 비용 절감효과가 있는 것으로 나타났다.
- 따라서, 곡물냉각기를 이용한 벼 건조 및 저장시스템은 관행적인 건조 및 저장시스템에 비해 저장후 최종품질, 중량의 증가에 따른 이윤을 제외하고도 건조능력의 향상, 톤당 건조 및 저장비용의 절감 등의 절감을 기할 수 있어 경제적임을 알 수 있었다.
- 0% 정도를 차지하였다. 또한, 건조기의 소요비용중 고정비는 6 톤 및 20 톤 건조기에서 각각 37.7-42.2% 및 26.2~35.1%로서 6톤 및 20톤 용량의 건조기만을 사용하여 15.8% 내외로 건조할 때의 고정비 비율인 54.3 -56.6% 및 55.4- 58.3%(Table 3)에 비해 14.4~29.2%정도 낮아지는 것으로 나타났다.
- 0%의 물벼를 15~16%까지 건조할 때 연간처리능력 1, 200 톤, 2, 400 톤, 3, 000 톤 및 4, 500 톤 시설에 소요되는 6톤 건조기는 각각 9대, 15대, 22대 및 33대였으며, 에너지비용은 14, 882 원/톤이었다 또한, 20톤 건조기의 소요대수는 각각 2 대, 4대, 5대 및 8대였으며, 에너지비용은 8, 804 원/톤으로 나타났다. 반면, 약 19%내외로 건조할 때 건조기 소요 대수 및 건조비용이 약 절반정도로 감소하는 것으로 나타났다. 한편, 권 등(15)은 연간건조능력이 1,000 톤인 미곡종합처리장시설에서 복합건조시 건조비용은 34, 711 원/톤 정도였다고 보고하였으며, 김 등(13)은 건조비용이 49, 750 원/톤 정도가 소요된다고 보고하였다.
- 이상의 결과로부터 동일 대수의 건조기를 사용할 때 곡물 냉각기를 이용한 벼의 건조방법은 건조기만을 이용한 기존방법에 비해 건조능력을 50%이상 증대시킬 수 있는 것으로 나타나 Hellemar(4)의 보고와 유사한 결과를 나타냈다. 또한, 연료 및 전기료 등 에너지비용도 10%이상 절감시킬 수 있어 Chek(5)의 결과와 유사하게 나타났다.
- 최적화 대상시설에서 벼의 최종함수율별 건조소요시간, 건조기 소요대수 및 톤당 건조에 소요되는 에너지비용을 산출한 결과는 Table 2와 같았으며, 반입되는 함수율 24.0%의 물벼를 15~16%까지 건조할 때 연간처리능력 1, 200 톤, 2, 400 톤, 3, 000 톤 및 4, 500 톤 시설에 소요되는 6톤 건조기는 각각 9대, 15대, 22대 및 33대였으며, 에너지비용은 14, 882 원/톤이었다 또한, 20톤 건조기의 소요대수는 각각 2 대, 4대, 5대 및 8대였으며, 에너지비용은 8, 804 원/톤으로 나타났다. 반면, 약 19%내외로 건조할 때 건조기 소요 대수 및 건조비용이 약 절반정도로 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서, RPC에서 곡물냉각기와 화력건조기를 이용하여 수확 기간 중 반입되는 물벼를 건조, 냉각저장하는 건조 및 저장시스템의 도입은 벼의 품질저하의 최소화는 물론이며, 기존에 설치된 건조기를 최대한 활용하면서 건조 및 저장 비용을 최소화하고, 새로운 시설의 경우에도 건조시설의 투자 비용을 최소화하는데 크게 기여할 것으로 기대되고 있다. 그러나, 이와 같은 시스템의 도입을 위해서는 건조기와 곡물 냉각기의 효율적인 운영조건의 확립이 필수적이나, 우리나라의 기후조건과 벼 수확후 관리체계하에서 운영조건의 확립에 관한 연구는 전무한 상태이다.
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